雙擺臂履帶式搜索機器人行走機構的設計含7張CAD圖
雙擺臂履帶式搜索機器人行走機構的設計含7張CAD圖,雙擺臂,履帶式,搜索,搜尋,機器人,行走,機構,設計,cad
圖書分類號：
密 級：
XX設計(XX)
雙擺臂履帶式搜索機器人行走機構的設計
The Design Of Walking Mechanism Of The Double Pendulum Arm Crawler Search Robot
學生姓名
班 級
學院名稱
專業(yè)名稱
指導教師
年
5月
22日
摘要
災難應急搜索和救援機器人（Search And Rescue Robot）是自然災害、事故等突發(fā)事件發(fā)生時，進入現(xiàn)場執(zhí)行搜救探測任務的機器人。這種機器人可以遠程操控或采用自主的方式深入到復雜、危險、不確定的災害現(xiàn)場，探測未知環(huán)境信息，搜索和營救被困者。搜救機器人是機器人技術向實用化發(fā)展的一個重要分支和新的研究領域，具有重要的社會價值。
本論文的目的是設計結構新穎、具有獨創(chuàng)性的可攜帶、抗一定沖擊的履帶移動機器人，以適應在惡劣環(huán)境和復雜路況下工作。通過在傳動系統(tǒng)上加載各種感知系統(tǒng)，以此實現(xiàn)搜救機器人不同的使用功能，本研究意義在于為設計的搜救機器人提供一個基礎的傳動機構，以便于開發(fā)出更多使用功能的搜救機器人。
本研究所設計的搜救機器人移動方案是履帶式驅動結構。搜救機器人的運動平臺應盡可能適應多種復雜的井下地形條件，如廢墟、泥地、沙地、臺階、陡坡、壕溝等，即具有較強的地形適應能力；除此之外，還要具有一定的運動速度和良好的運動學穩(wěn)定性，盡可能減少傾覆或翻滾的可能。設計的機器人移動機構主要由四部分組成：主動輪減速驅動機構、擺臂減速轉動機構、自適應路面執(zhí)行機構、履帶及履帶輪運動機構。本論文對上述各部分方案分別進行論證、結構設計計算.
關鍵詞 搜救機器人； 傳動系統(tǒng)； 履帶式
Abstract
Disaster emergency Search And Rescue Robot (the Search And Rescue Robot) is a natural disasters, accidents And other emergencies occur, instead of Search And Rescue personnel to enter the scene Search And Rescue mission to the mobile Robot. This kind of robot can be remotely operated or adopt the way of independent into complex, danger, uncertainty at the scene of the disaster, detecting unknown environmental information, search and rescue trapped persons. Search and rescue robot is an important branch of robot technology in practical development and the new research field, has important social value. The purpose of this thesis research work is to design new structure, ingenious portable, impact resistance to certain of the tracked mobile robot, in order to adapt to work under bad environment and complex road conditions. By loading it on mobile system perception system, to implement the search and rescue robot different use function, and significance of this study is to search and rescue robot provides a foundation to the design of the transmission mechanism, so that to develop more function of search and rescue robot.
This design institute of search and rescue robot moving plan is crawler drive structure. Search and rescue robot motion platform should as far as possible to adapt to a variety of complex downhole terrain conditions, such as debris, mud, sand, steps, steep slope, trenches, etc., which has strong adaptability to terrain; In addition, will also have a certain velocity and good kinematic stability, minimize capsized or roll. Design of robot mobile mechanism is mainly composed of four parts: the driving wheel deceleration driving mechanism, wing rotating mechanism, adaptive road, track and track wheel actuator motion mechanism. This paper on the package the parts for argumentation, structural design, calculation.
Keywords Search and rescue robot The transmission system caterpillar
目 錄
摘要 I
Abstract II
1 緒論 1
1.1 課題研究背景及意義 1
1.1.1 課題研究背景 1
1.1.2 課題研究意義 1
1.2 國內外的研究概況 2
1.2.1 國外研究概況 2
1.2.2 國內研究概況 3
2 機器人總體結構及運動參數(shù)設計 4
2.1機器人移動機構分析 4
2.2機器人移動機構性能比較 5
2.3論文采用的行走機構 5
2.4機器人性能指標與設計 6
2.5機器人運動分析 7
2.5.1機器人跨越臺階 7
2.5.2機器人跨越溝槽 8
2.5.3機器人斜坡運動分析 8
3電動機的選擇 10
3.1基于平地的最大速度的電機功率計算 10
3.2爬坡最大坡度的驅動電機功率計算 11
4 減速器設計 12
4.1 一級圓柱齒輪減速器的計算 12
4.1.1 齒輪材料和熱處理的選擇 12
4.1.2 齒輪幾何尺寸的設計計算 12
4.1.3齒輪彎曲強度校核 14
4.1.4齒輪幾何尺寸的確定 14
4.1.5軸的材料和熱處理的選擇 15
4.1.6軸幾何尺寸的設計計算 15
4.1.7圓柱齒輪減速器三維圖 17
4.2蝸桿減速器的計算 18
4.2.1 蝸桿的型號和材料 18
4.2.2 按齒面接觸疲勞強度進行設計 18
4.2.3 蝸桿和蝸輪的主要參數(shù)與幾何尺寸 20
4.2.4蝸桿軸的設計 21
4.2.5蝸輪軸的設計 26
5移動機構履帶及翼板部分設計 27
5.1履帶的選擇 27
5.1.1 確定帶的型號和節(jié)距 28
5.1.2確定主從動輪直徑 29
5.1.3確定節(jié)線長度和帶寬 29
5.2 翼板部分設計 30
6 機器人擺臂的設計 31
7 機器人感知系統(tǒng) 32
結論 33
致謝 34
參考文獻 35
附錄 36
附錄1 36
附錄2 37
37
1 緒論
1.1 課題研究背景及意義
1.1.1 課題研究背景
20世紀80年代 開始出現(xiàn)對應急災難搜索和救援機器人的研究。在經過1995年的美國俄克拉荷馬州爆炸案以及日本神戶大地震，搜救機器人逐漸被作為機器人學的人道主義應用研究被重視起來.
我國是世界上災害、事故發(fā)生次數(shù)最多的國家之一，地震、火災、塌方、以及各類人為事故，給人民生命財產安全造成極大的危害。災害發(fā)生后，如何及時有效的發(fā)現(xiàn)被困幸存者并實施快速的救援是災后應急救援的頭等大事。當災難或事故發(fā)生后，現(xiàn)場環(huán)境復雜惡劣，充滿未知和不確定性的因素，嚴重威脅搜救人員的生命安全，給搜救工作的部署和實施帶來嚴峻考驗。一般而言在災難發(fā)生后的48小時是實施營救的最佳時間，一旦超過48小時被困者生還的可能性就變得很小。所以搜救機器人的研究具有重要的實用價值和社會意義，近年來受到了美、日、澳、中等國家的高度重視
1.1.2 課題研究意義
搜救機器人第一次大規(guī)模參與到現(xiàn)場救援的應用案例發(fā)生在美國911事件后，當時有Talon、Solem、PACKBOT、VGTV、MicroTracs、SPAWARUrbot等六種軍方和研究所的機器人參與了救援工作，如圖1所示。在這次救援任務中，機器人系統(tǒng)的主要任務包括:在廢墟中搜索可能有幸存者的空間，并監(jiān)控現(xiàn)場的結構變化，防止發(fā)生倒塌危及現(xiàn)場救援人員。搜救工作主要分為兩個階段，在第一階段的的工作中,機器人并不是過度深入廢墟現(xiàn)場,而是在人不便于接近的地方起到輔助作用。第二階段的工作重點是清理現(xiàn)場建筑殘骸,并為分析世貿中心塔樓倒塌的原因提供依據(jù)。在這一階段中，隨著操作人員熟練程度的增加以及現(xiàn)場積累的經驗，機器人系統(tǒng)的優(yōu)越性逐漸表現(xiàn)出來。機器人通過深入現(xiàn)場近距離偵察、攝像,從而確定殘存墻體的穩(wěn)定性和發(fā)生倒塌的可能性；同時，機器人通過自身攜帶的不同類型探測器,測量一氧化碳、硫化氫、揮發(fā)性有機物的濃度和現(xiàn)場溫度,形成現(xiàn)場環(huán)境危險情況的基礎數(shù)據(jù)。通過十幾名不同專業(yè)、不同領域的專家進行現(xiàn)場分析，并研究、指導現(xiàn)場的救援工作,大大加快了工作進度,并保證了人員的安全,體現(xiàn)了明顯的優(yōu)勢。同時，在此次救援過程中也發(fā)現(xiàn)了機器人系統(tǒng)的一些問題，如防水能力、耐熱能力、防震及其他抗惡劣環(huán)境能力的不足，以及機器人自身狀態(tài)感知及環(huán)境描述方法的不足?？傊@次救援任務是人類歷史上由救援機器人參與的規(guī)模最大、也是較為成功的一次救援，在這次救援過程中，工程技術人員和現(xiàn)場專家積累了大量的機器人系統(tǒng)進行災難救援工作的寶貴經驗，對今后搜救機器人的研究來說是一筆巨大的財富。
圖1-1 參與911救援的機器人
1.2 國內外的研究概況
1.2.1 國外研究概況
目前，在救災機器人研究方面，美國走在了世界的前列，美國在微小型機器人研制方面投入了大量的人力和物力，特別是新型、高機動、高可靠性移動載體研究方面。如美國移動機器人(TMR)計劃中的便攜式機器人系統(tǒng)(MPRS)．此類機器人被大量應用與于城市戰(zhàn)斗和搜救任務。如美國智能系統(tǒng)和機器人中心開發(fā)的RATLER礦井探索機器人主要用于偵查災難后的現(xiàn)場，電傳遙控方式作為主動控制方式，車上帶有紅外攝像機、無線射頻信號收發(fā)器、陀螺儀和危險氣體傳感器等各類裝備。無線遙控距離約76 米。美國南佛羅里達大學研制的Simbot礦井搜索機器人,小巧靈活，車位上帶有數(shù)字化低照度攝像機及基本氣體監(jiān)視組件，可以通過一個人為鉆出的小洞鉆進礦井，跨過碎石與爛泥地段，并通過車上攜帶的傳感器來發(fā)現(xiàn)受害礦工，探測氣體類如氧氣與甲烷氣體的含量，并生成清晰可見的礦井地圖。
1.2.2 國內研究概況
我國的搜救機器人雖然研究起步較晚，但是最近幾年有了較快的發(fā)展，受到越來越多研究機構的關注。哈爾濱工業(yè)大學、上海交通大學、沈陽自動化研究所、廣東衛(wèi)富公司等都研制了各自的搜救機器人系統(tǒng)，中國礦業(yè)大學與清華大學等幾家機構同時也研制了用于煤礦井下救援的移動機器人。2006年6月22日，由中國礦大可靠性與救災機器人研究所研制的國內首臺煤礦搜救機器人(樣機)在徐州誕生。這臺煤礦搜救機器人行走控制方式是靠自主避障和遙控引導相結合，能在煤礦災害出現(xiàn)后深入事故現(xiàn)場，探測明火的溫度、瓦斯的濃度、收集災害場景狀況、呼救聲訊等信息，并實時傳回采集到的信息和圖像，為救災指揮人員提供重要的災害信息。同時，機器人還能攜帶急救藥品、生命維持液、食品和千斤頂、撬棍等自救工具，在關鍵時刻協(xié)助被困人員實施自救。在2010年4月2日王家?guī)X透水事故發(fā)生的過程中，中國科學院沈陽自動化研究所研制的水下機器人被帶到現(xiàn)場，試圖參與透水現(xiàn)場的總體探測任務，雖然最終沒有采用，但也是一次有益的嘗試，為透水事故探測救援積累了寶貴的經驗。
2 機器人總體結構及運動參數(shù)設計
2.1機器人移動機構分析
運動機構作為移動機器人的移動載體，直接影響到機器人的通過性和地形適應能力。搜救機器人的運動平臺應盡可能適應多種復雜的地形條件，如廢墟、泥地、沙地、臺階、陡坡、壕溝等；除此之外，機器人還要具有一定的運動速度和良好的穩(wěn)定性，最大化減少傾覆或翻滾的可能。目前的搜救機器人運動機構種類較多，如輪式、履帶式、蛇形移動機構等，不同的運動平臺決定了各自的運動能力。輪式機器人速度快、效率高，但越障能力較差，復雜地形適應能力有限；履帶式越障能力強，但速度較慢、運動效率較低；蛇形機器人可以鉆進狹小的空間，利用頭部安裝的攝像頭傳回圖像信息，但也存在速度慢、機構復雜等缺點；足式機器人，如四足、六足等具有適應地形能力強的特點,能越過大的壕溝和臺階,但目前大部分足式機構存在速度慢、效率較低的特點;輪腿復合式機器人具有履帶機器人的地形適應能力和輪式機器人的運動速度，但也存在結構相對復雜體積較為龐大等缺點;此外受到自然界生物的啟發(fā)，各種特殊的仿生機構機器人也展現(xiàn)了美好的前景。綜合各種復雜的地形環(huán)境和事故發(fā)生后可能存在的實際情況，采用具有較強地形適應能力的帶輔助臂的復合履帶方式是一種相對理想的運動機構，該方式在具有較強地形適應能力，可以保持較小的體積，能夠穿過相對狹窄的空間。
除了上述需要考慮的因素之外，運動平臺的設計必須可靠，以應對復雜的環(huán)境。比如搜救機器人設計時必須重點考慮考慮現(xiàn)在的爆炸，積水，高溫等情況。而且履帶機器人發(fā)生履帶出軌脫落也將導致機器人寸步難行，這也是一大難題。除了靈活的運動能力和可靠性設計外，搜救機器人還應考慮便攜性。為了應對突發(fā)的礦難事故，提高搜救效率，搜救機器人應該具有較強的機動能力，須在第一時間投放現(xiàn)場。并具有快速轉移能力，可攜帶性較高，在搜索完一個目標地點，能盡快到下一搜救地點。最后機器人體積不能過于龐大，更高的能耗和較差的平臺通過能力會給運輸過程和救援工作帶來困難。
2.2 機器人移動機構性能比較
表2.1機器人移動機構性能比較
移動方式
輪式
履帶式
腿式
移動速度
快
較快
慢
越障能力
差
一般
好
復雜程度
簡單
一般
復雜
能耗量
小
較小
大
控制難易
易
一般
復雜
2.3行走機構的設計
本文的履帶機器人移動系統(tǒng)采用的是履、輪復合結構，該結構最大優(yōu)點在于在傳統(tǒng)履帶移動機構的基礎上增加了可轉動得擺臂機構，機器人的越障、爬坡性能以及環(huán)境適應能力得到了較大的提升。
機器人能根據(jù)地形條件的復雜程度，通過主動調節(jié)兩側履帶與車身約束關系來選擇自適應環(huán)境或者是主動適應環(huán)境。自適應環(huán)境可以提高機器人運動穩(wěn)定性能、平順性能；主動適應環(huán)境可以提高機器人通過性能，機器人設計方案如下圖2所示。
圖2-1 便攜式履帶機器人結構組成
1. 后輪驅動電機及組件 2.擺臂電機及組件 3.主履帶 4.擺臂履帶 5.齒輪
2.4機器人性能指標與設計
在地面移動機器人家族中，履帶機器人具有很強的地形適應性，能夠適應惡劣的路面條件，因此得到了廣泛的應用。但普通的履帶移動移動機構結構復雜，重量大，運動慣性大，減震性能差，零件易損壞。為克服普通履帶式移動機構的缺點，給煤礦井下搜救機器人履帶式移動機構加裝前擺。機器人加裝前擺臂的優(yōu)點：機器人重心將前移，實現(xiàn)機器人爬坡和越障的功能，穩(wěn)定性將更好；實現(xiàn)機器人傾翻后自復位.
總體設計方案如圖2.2所示。采用后輪驅動，差速轉向，可實現(xiàn)原地360°轉向。擺臂電動機驅動擺臂可在360°范圍內旋轉，提高機器人跨越溝槽和爬越臺階的越障的能力和翻轉后自復位的功能。
搜救機器人性能參數(shù)如下： L1=600mm,L2=350mm,R=80mm,r=40mm,B(車體寬度)=500mm，車體高300mm。車體質量為50kg,擺臂質量不超過5kg,機器人做直線運動最大速度等于1m/s,自備電源運行時間大于等于4小時。最大越障高度H=300mm，跨越最大溝壑寬度C=500mm。如圖3：
圖2-2 機器人設計草圖
2.5機器人運動分析
2.5.1機器人跨越臺階
（1）越障機理分析
當機器人在爬越臺階時，機器人履帶底線與地面之間的夾角將隨時間而逐漸增加，其重心越過臺階的支撐點時，機器人就跨過了臺階完成爬越動作。
（2）越障過程分析
搜救機器人爬越臺階的過程如圖4所示，機器人借助擺臂的初始擺角，在履帶機構的驅使下，使其主履帶前端搭靠在臺階的支撐點上，機器人繼續(xù)移動，驅動擺臂逆時針擺動，當機器人重心越過臺階邊緣時，旋轉擺臂關節(jié)，機器人在自身重力影響下，車體下移，機器人成功地爬越臺階。
圖2-3機器人爬越臺階過程
由運動過程可以看出，機器人在越障第三階段圖2-3（C）重心的位置處于臨界狀態(tài)，機器人重心只有越過臺階邊緣，機器人才能成功的越過障礙。由此可分析出機器人的最大越障高度。
圖2-4機器人上臺階臨界狀態(tài)示意圖
由圖2.4所示幾何關系可得：
式（2.1）
變換式（1）可得： 式（2.2）
式（2.3）
利用式（2.3）求出，代入式（2.2）可算出機器人跨越障礙的最大高度Hmax為600mm。
2.5.2機器人跨越溝槽
（1）越障機理分析
對于小于機器人前后履帶輪中心距地溝槽，因機器人重心在機器人車體內，當機器人重心越過下一個溝槽的支撐點時，機器人就越過溝槽完成了整個跨越動作。也可能由于重心未過去，翻倒在溝槽內。當溝槽大于中心距時，履帶式機器人的運動可以看做是爬越凸臺障礙。
（2）越障分析
履帶式移動機器人跨越溝槽時，機器人重心不斷向前移動，當重心越過溝槽邊緣時，受重力作用，機器人將產生前傾現(xiàn)象，運動不穩(wěn)定。由機器人質心變化規(guī)律可知機器人重心在以r為半徑的圓內，由于擺臂展開后機器人履帶與地接觸長度變大，為了計算最大跨越壕溝寬度，擺臂履帶應處于展開狀態(tài)。
圖2-5跨越溝槽示意圖
機器人在平地圖2-5（a）跨越溝槽的寬度： 式（2.4）
在角度為的斜坡圖2-5(b)上跨越溝槽的寬度
： 式（2.5）
2.5.3機器人斜坡運動分析
機器人在斜坡上運動時，起受力情況如圖7所示，機器人勻速行駛或靜止時，其驅動力： 式（2.6）
圖2-6機器人上坡受力示意圖
最大靜摩擦力系數(shù)為，最大靜摩擦力為： 式（2.7）
當時，機器人能平穩(wěn)行駛。
當時，機器人受重力的影響將沿斜面下滑。
已知煤礦井下機器人在井下地面最大靜摩擦系數(shù)，則機器人爬越的最大坡度為: 式（2.8）
爬坡時克服摩擦力所需的最大加速度為：
式（2.9）
通過上述分析，可以根據(jù)機器人履帶與運動面的摩擦系數(shù)來確定一些陡坡是否能夠安全爬升，并根據(jù)坡度和電機的特性，確定其運動過程最大加速及爬升都陡坡的快速性。
3電動機的選擇
3.1基于平地的最大速度的電機功率計算
假設機器人以最大速度勻速前進，輪子作瞬時純滾動，前進時不考慮空氣阻力的影響。如下圖所示：
圖3-1平地直線運動受力圖
根據(jù)理論力學平面交匯力系平衡條件和合力矩定理：
式（3.1）
式（3.2）
則，移動機器人平地直線運動的平衡方程為：
式（3.3）
則， 式（3.4）
可以得出，機器人兩側電機經減速器后在最大速度下需要提供的極限扭矩為11.76Nm。
在最大的行駛速度下，驅動電機經過減速箱減速后需要提供的極限轉速為：
3.2爬坡最大坡度的驅動電機功率計算
相對于平地行駛過程，爬坡能力對于機器人的驅動能力是一個重要的衡量標準，所以在進行驅動系統(tǒng)設計時，爬坡指標的計算也應作為選擇電機的必須依據(jù)。
假設移動機器人在最大指標上勻速行駛，速度為0.1。在行駛過程中輪子作純滾動，不考慮空氣阻力的影響。機器人爬坡受力情況如圖：
圖3-2機器人爬坡受力圖
爬坡的平衡方程為：
解之得：M=43.12Nm,可以得出機器人兩側電機經減速器減速后在最大坡度下爬坡需要提供的極限扭矩為21.56Nm.
在0.1的速度爬坡時，驅動電機經過減速器后所需提供的轉速為：n==11.94
由以上分析可知，機器人平地直線運動時要求的驅動電機輸出轉速較大，而爬坡時的要求的驅動電機輸出扭矩較大。因此在選電機型時，應根據(jù)平地直線運動要求轉速和爬坡要求扭矩進行選擇。
根據(jù)最大爬坡要求，初步確定驅動電機經減速器后的功率為： =53.8W
則所需電機的輸出功率為：=88.19W
則可選擇如下表3.1電機：
表3-1電動機性能參數(shù)
產品型號
電壓
額定電流
空載轉速
輸出功率
效率
越速1016
24V
6.5A
3000r/min
250W
80%
4 減速器設計
移動減速傳動機構是完成機器人前進、后退、轉向等各種運動的關鍵部件，利用齒輪的速度轉換，將動力機的轉速減低到所需的轉速，同時扭矩達增大到所需的扭矩。本機構采用二級減速器，電動機通過減速器的實現(xiàn)減速、增大轉矩。電動機安裝在減速器前端，通過錐齒輪改變軸的方向，輸出履帶驅動輪轉矩，為復雜狀況下救災機器人提供主要動力。
4.1 一級圓柱齒輪減速器的計算
4.1.1齒輪材料和熱處理的選擇
小齒輪選用45號鋼，調質處理，HB＝236
大齒輪選用45號鋼，正火處理，HB＝190
4.1.2 齒輪幾何尺寸的設計計算
1.按照接觸強度初步設計齒輪主要尺寸
由《機械零件設計手冊》查得
,SHlim = 1
由《機械零件設計手冊》查得
ZN1 = ZN2 = 1 YN1 = YN2 = 1.1
由
（1） 小齒輪的轉矩
（2） 選載荷系數(shù)K
查《機械原理與機械零件》教材中表得，取K＝1.1
（3） 計算尺數(shù)比
=4.025
（4） 選擇齒寬系數(shù)
根據(jù)齒輪為軟齒輪在兩軸承間為對稱布置。查《機械原理與機械零件》教材中表得，?。?
計算小齒輪分度圓直徑
≥ 766766=76
= 44.714( mm)
（5）確定齒輪模數(shù)m
m =(0.007～0.02)a = (0.007～0.02)×185.871
取m=2
（6）確定齒輪的齒數(shù)和
取 Z1 = 25
取 Z2 = 100
（7）實際齒數(shù)比
齒數(shù)比相對誤差
Δ<±2.5% 允許
（8） 計算齒輪的主要尺寸
中心距
齒輪寬度
B1 = B2 + (5～10) = 53～58(mm)
取B1 =57 (mm)
（9） 計算圓周轉速v并選擇齒輪精度
查表應取齒輪等級為9級，
但根據(jù)設計要求齒輪的精度等級為7級。
4.1.3 齒輪彎曲強度校核
（1） 由4﹒2﹒1中的式子知兩齒輪的許用彎曲應力
（2） 計算兩齒輪齒根的彎曲應力
由《機械零件設計手冊》得
=2.63
=2.19
比較的值
/[]=2.63/244=0.0108>/[]=2.19/204=0.0107
計算大齒輪齒根彎曲應力為
齒輪的彎曲強度足夠
4.1.4 齒輪幾何尺寸的確定
齒頂圓直徑 由《機械零件設計手冊》得 h*a =1 c* = 0.25
齒距 P = 2×3.14=6.28(mm)
齒根高
齒頂高
齒根圓直徑
4.1.5 軸的材料和熱處理的選擇
由《機械零件設計手冊》中的圖表查得
選45號鋼，調質處理，HB217～255
=650MPa =360MPa =280MPa
4.1.6 軸幾何尺寸的設計計算
1. 按照扭轉強度初步設計軸的最小直徑
從動軸=c=115=29.35
考慮鍵槽=29.35×1.05=30.82
選取標準直徑=32
2.軸的結構設計
根據(jù)軸上零件的定位、裝拆方便的需要，同時考慮到強度的原則，主動軸和從動軸均設計為階梯軸。
3.軸的強度校核
從動軸的強度校核
圓周力 ==2000×158.872/192=1654.92
徑向力 =tan=1654.92×tan20°=602.34
由于為直齒輪，軸向力=0
L=110mm
==0.5=0.5×1654.92=827.46
=0.5L=827.46×110×0.5/1000=51.72
==0.5=0.5×602.34 =301.17
=0.5L=501.17×110×0.5/1000=36.4
轉矩T=158.872
校核
===55.04
===118.42
由圖表查得，=55MPa
d≥10=10=29.21(mm)
考慮鍵槽d=29.21mm < 45mm
L=110mm
==0.5=0.5×1654.92=827.46
=0.5L=827.46×110×0.5/1000=51.72
==0.5=0.5×602.34 =301.17
=0.5L=501.17×110×0.5/1000=36.4
轉矩T=158.872
校核
===55.04
===118.42
由圖表查得，=55MPa
d≥10=10=29.21(mm)
考慮鍵槽d=29.21mm < 45mm
則強度足夠
4.1.7減速器三維圖
圖4-1減速器三維圖
4.2蝸桿減速器的計算
4.2.1 蝸桿的型號和材料
GB/T10065-1998推薦采用阿基米德（ZA蝸桿）和錐面包絡蝸桿（ZK蝸桿）。本設計采用阿基米德型圓柱蝸桿（ZA型）。
蝸桿副傳遞的功率不大，但蝸桿轉速較高，因此，蝸桿的材料選用45鋼，其螺旋齒面要求淬火，硬度為45～55HRC，以提高表面耐磨性，選用錫磷青銅ZCuSn10P1，采用金屬模鑄造。
4.2.2 按齒面接觸疲勞強度進行設計
蝸桿副采用閉式傳動，多因齒面脫離危險合或點蝕而失效。因此，在進行承載能力計算時，先按齒面接觸疲勞強度進行校核。
按蝸輪接觸疲勞強度條件設計計算的公式為：
式 (4.1)
式中 ——蝸桿副的傳動中心距，單位為mm；
K——載荷系數(shù)；
T2——作用在蝸輪上的轉矩T2，單位為N·mm；
——彈性影響系數(shù)，單位為MP1/2；
——接觸系數(shù)；
——許用接觸應力，單位為MPa。
從式（4.1）算出蝸桿副的中心距之后，根據(jù)已知的傳動比i=48,從附錄1中選擇一個合適的中心距值，以及相應的蝸桿、蝸輪參數(shù)。
（1） 確定作用在蝸桿上的轉矩T2
設蝸桿頭數(shù)Z1=1，蝸桿的傳動效率取η=0.8。由電動機的額定功率P1=90W，可以算得蝸輪傳遞的功率P2=P1·η，再由蝸輪的輪轉速n2=30r/min
求得作用在蝸輪上的轉矩：
T2=9.55P2/n2=9.55P1η/n2=9.55×80×0.8/30N·m≈20.373N·m=20373N·mm
（2） 確定載荷系數(shù)K
載荷系數(shù)K=KAKβKv。其中KA為使用系數(shù)，由附錄2查得，由于工作載荷不均勻，起動時沖擊較大，因此取KA=1.15；Kβ為齒向載荷分布系數(shù)，因工作載荷在起動和停止時有變化，故取Kβ=1.15；Kv為動載系數(shù)，由于轉速不高、沖擊不大，可取Kv=1.05。剛載荷系數(shù)：
K=KAKβKv=1.15×1.15×1.05≈1.39
（3） 確定彈性影響系數(shù)ZE
鑄錫磷青銅蝸輪與蝸桿相配時,從有關手冊查得彈性影響系數(shù)ZE=160MPa1/2。
（4） 確定接觸系數(shù)
先假設蝸桿分度圓直徑d1和傳動中心距的比值d1/=0.35，從附錄3中可查得接觸系數(shù)=2.9。
（5） 確定許用接觸應力
根據(jù)蝸輪材料為鑄錫磷青銅ZCuSn10P1、金屬模鑄造蝸桿螺旋齒面硬度大于45HRC，可從附錄4中查得蝸輪的基本許用應力＇=268MPa。已知蝸桿為單頭，蝸輪每轉一轉時每個輪齒嚙合的次數(shù)J=1；蝸輪轉速n2=30r/min;蝸桿副的使用壽命Lh=10000h。
則應力循環(huán)次數(shù)
N=60Jn2Lh=60×1×30×10000=1.8×107
壽命系數(shù)：
KHN==0.929
許用應力：
=KHN′=0.929×268MPa=249MPa
（6） 計算中心距
將以上各參數(shù)代入式（4.1），求得中心距：
≥mm=46.2mm
查附錄1，取中心距=50mm，已知蝸桿頭數(shù)Z1=1，設模數(shù)m=1.6mm，得蝸桿分度圓直徑d1=20mm。為時d1/=0.4，由附錄3得接觸系數(shù)Z′ρ=2.74。因為Z′ρ＜Zρ，所以上述計算結果可用。
4.2.3 蝸桿和蝸輪的主要參數(shù)與幾何尺寸
由蝸桿和蝸輪的基本尺寸和主要參數(shù)，算得蝸桿和蝸輪的主要幾何尺寸后，即可繪制蝸桿副的工作圖。
（1） 蝸桿參數(shù)與尺寸
頭數(shù)Z1=1，模數(shù)m=4mm，軸向齒距Pa=πm=12.56mm，軸向齒厚Sa=0.5πm=6.28mm，分度圓直徑d1=40mm，直徑系數(shù)q=d1/m=10，分度圓導程角γ=arctan(z1/q)=5o42′38″。
取齒頂高系數(shù) ha*=1，徑向間隙系數(shù)c*=0.2，則齒頂圓直徑
da1=d1+2ha*m=40mm+2×1×4mm=48mm
齒根圓直徑
df1=d1-2m(ha*+c*)=[40-2×4×(1+0.2)]mm=30.4mm。
（2） 蝸輪參數(shù)與尺寸
齒數(shù)Z2=31，模數(shù)m=4mm，分度圓直徑d2=mZ2=4*31mm=124mm，
變位系數(shù)
x2=[-(d1+d2)/2]/m=[80-(40+124)/2]/4=-1
蝸輪喉圓直徑
da2=d2+2m(ha*+x2)=[124+2×4×(1+1)]mm=140mm
蝸輪齒根圓直徑
df2=d2-2m(ha*-x2+ c*)=[124-2×4×(1-1+0.2)]mm=122.4mm
蝸輪咽喉母圓半徑
rg2=-da2/2=(80-140/2)mm=10mm
（3） 校核蝸輪齒根彎曲疲勞強度
即檢驗下式是否成立：
=（1.53KT2/d1d2m）×YFa2Yβ≦ 式(4.2)
式中 ——蝸輪齒根彎曲應力，單位為MPa；
YFa2——蝸輪齒形系數(shù)；
Yβ——螺旋角影響系數(shù)；
——蝸輪的許用彎曲應力，單位為MPa。
由蝸桿頭數(shù)Z1=1，傳動比i=31，可以算出蝸輪齒數(shù)Z2=iZ1=31。
則蝸輪的當量齒數(shù)
Zv2=Z2/cos3γ=48.46
根據(jù)蝸輪變位系數(shù)x2=1和當量齒數(shù)ZV2=48.46，得齒形系數(shù)：
YFa2=1.95
螺旋角影響系數(shù)：
Yβ=1-γ/140°=0.967
根據(jù)蝸輪的材料和制造方法，可得蝸輪基本許用彎曲應力：
＇=56MPa
蝸輪的壽命系數(shù)：
KFN===0.725
蝸輪的許用彎曲應力：
=＇KFN=56×0.725MPa=40.6MPa
將以上參數(shù)代入（4.2），得蝸輪齒根彎曲應力：
=×1.95×0.967MPa≈33.2MPa
可見＜,蝸輪齒根的彎曲強度滿足要求。
4.2.4蝸桿軸的設計
1. 蝸桿軸的材料選擇，確定許用應力
考慮軸主要傳遞蝸輪的轉矩，為普通用途中小功率減速傳動裝置。選用45號鋼，正火處理， 。
2. 按扭轉強度初步估算軸的最小直徑
式（4.3）
扭轉切應力為脈動循環(huán)變應力，取
抗彎截面系數(shù)
取
3確定各軸段的直徑和長度
根據(jù)各個零件在軸上的定位和裝拆方案確定軸的形狀，直徑和長度。
圖4-2 軸的形狀，直徑和長度
L1為與軸承配合的軸段，查軸承寬度為12mm，端蓋寬度為10mm，則L1=22mm。
L2尺寸長度與刀架體的設計有關，蝸桿端面到刀架端面距離為65mm，故L2=43mm。
L3為蝸桿部分長度，圓整取30mm。
L4取55mm，為（12+8）mm，通過聯(lián)軸器與電動機相連長度為50mm，故L5=30mm。
L6取40mm
兩軸承的中心跨度為128mm，軸的總長為220mm。
同時軸承各段直徑d1=32mm,d2=35mm,d3=50mm,d4=35mm,d5=32mm,d1=28mm
4.蝸桿軸的校核
作用在蝸桿軸上的圓周力
圖4.3軸向受力分析
其中，
則
徑向力
切向力
求水平方向上的支承反力
圖4-4 水平方向支承力
求水平彎矩,并繪制彎矩圖
圖4-5 水平彎矩圖
求垂直方向的支承反力
式（4.4）
查表得，，，，
其中，，
圖4-6 垂直方向支承反力
求垂直方向彎矩，繪制彎矩圖
圖4-7垂直彎矩圖
求合成彎矩圖，按最不利的情況考慮
圖4-8合成彎矩圖
計算危險軸的直徑
式 (4.5)
查教材機械設計表16.3得，材料為調質的許用彎曲應力，則
所以該軸符合要求。
5. 鍵的選取與校核
考慮到，實際直徑為17mm，所以強度足夠，由GB1095-79查得，尺寸，的A型普通平鍵。
按公式
式 （4.6）
進行校核
，，，。
查表得，取則
該鍵符合要求。
由普通平鍵標準查得軸槽深，轂槽深t。
4.2.5 蝸輪軸的設計
1 蝸輪軸材料的選擇，確定需用應力
考慮到軸主要傳遞蝸輪轉矩，為普通中小功率減速傳動裝置，選用45號鋼，正火處理，查教材機械設計表16.3得彎曲許用應力和對稱循環(huán)應力狀態(tài)下的許用應力分別為，。
2 按扭轉強度，初步估計軸的最小直徑
式（4.7）
查教材機械設計表16.3得，取45號調質鋼的許用彎曲應力，則
由于軸的平均直徑為30mm，因此該軸安全。
3 確定蝸輪軸長度
根據(jù)車體寬度和履帶及擺臂寬度可以得到蝸輪軸總長度為760mm。
5移動機構履帶及翼板部分設計
5.1履帶的選擇
由于在考慮履帶裝置設計時，基于標準化的思考，我們選擇了梯形雙面齒同步帶作為設計履帶，梯形雙面齒同步帶傳動具有帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動的優(yōu)點。同步帶傳動由于帶與帶輪是靠嚙合傳遞運動和動力，故帶與帶輪間無相對滑動，能保證準確的傳動比。同步帶通常以氯丁橡膠為材料，這種帶薄而且輕，故可用于較高速度。傳動時的線速度可達50m/s，傳動比可達10，效率可達98％。傳動噪音比帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動小，耐磨性好，不需油潤滑，壽命比摩擦帶長。
因為同步帶傳動具有準確的傳動比，無滑差，可獲得恒定的速比，傳動平穩(wěn)，能吸振，噪音小，傳動比范圍大等優(yōu)點，所以傳遞功率可以從幾瓦到百千瓦。傳動效率高，結構緊湊，適宜于多軸傳動，無污染，因此可在不允許有污染和工作環(huán)境較為惡劣的場所下正常工作。
從以上對同步帶性能的分析中可以得出結論，選用梯形雙面齒同步帶作為移動裝置設計履帶能夠滿足設計性能及工作的環(huán)境條件要求。
由已知后軸輸出功率為(即）；
由已知設計裝置移動速度，根據(jù)公式，可得主動輪轉速，預先設計履帶主動輪直徑=160mm，履帶從動輪直徑=160mm，由公式，可得=120r/min.。
故可以得到設計的已知條件如下：
（1）傳遞名義功率.
（2）主動輪轉速.
（3）從動輪轉速
（4）中心距.
5.1.1 確定帶的型號和節(jié)距
由設計功率=0.2275kw和=120r/min，考慮到可以用雙面交錯梯狀齒形同步帶作為履帶使用，由圖15查得型號選用XH型，對應節(jié)距=22.225mm，圖16為雙面交錯梯狀齒形同步帶的結構圖，雙面齒同步帶的節(jié)距和齒形等同與單面齒同步帶的齒形和節(jié)距，圖A為DA型雙面齒同步帶，其兩面帶齒呈對稱排列，圖B為DB型雙面齒同步帶，其兩面帶齒呈交錯位置排列，本裝置設計履帶選擇DB型。XH型同步帶=2.794mm，=15.49mm。
圖5-1梯形齒同步帶，輪選型圖
圖5-2梯形齒形狀圖
5.1.2確定主從動輪直徑
為了增大摩擦力，應考慮增大履帶與接觸地面的有效接觸面積，所以履帶離地面的高度不易過大，故取履帶主動輪直徑=160mm，履帶從動輪直徑=160mm。選擇履帶主動輪型號為23XH，履帶從動輪型號為23XH，就近圓整帶輪直徑，查得履帶主動輪直徑=162.71mm，履帶從動輪直徑=162.71mm。
5.1.3確定節(jié)線長度和帶寬
確定中心距，中心距大，可以增加帶輪的包角，減少單位時間內帶的循環(huán)次數(shù)，有利于提高帶的壽命，但是中心距過大，則會加劇帶的波動，降低帶的傳動平穩(wěn)性，同時增大帶傳動的整體尺寸，中心距過小，則有相反的利弊，取帶傳動的中心距為=400mm。
（1）計算所選用型號同步帶的基準額定功率
（kw） 式（5.1）
式中許用工作拉力，查表得=4048.90N
單位長度質量，查表得=1.484Kg/m
線速度m/s
求解線速度：
由已知條件主動輪轉速=1220r/min.
帶入上式得
4.049kw
（2）計算主動輪嚙合齒數(shù)
Zm =
（3）確定實際所需帶寬
式（5.2）
式中帶所傳遞的功率kw=0.17225kw
嚙合系數(shù)，因6，故=1.
所以
將其取為標準值
1.4570.17225
額定功率大于設計功率，則帶的傳動能力已足夠，所選參數(shù)合理。
為了減輕履帶驅動裝置的重量，可以選擇硬鋁合金作為履帶主，從動輪的材料，硬鋁合金主要是加入銅，鎂，錳元素，故硬鋁合金具有密度小，質量低，強度高，硬度高，耐熱性好的優(yōu)點，能夠滿足設計性能要求。
5.2 翼板部分設計
履帶翼板是整個履帶驅動裝置中的基礎部分，主要起支撐作用，履帶從動輪，張緊輪分別安裝在翼板上，所設計的機器人移動部分采用的是輪履結合式，這種機構設計使機器人具有良好的越障和爬坡能力，履帶驅動部分必須能夠實現(xiàn)在履帶主動輪轉動的過程中翼板也能夠繞從動輪的軸線轉動，即在有不同角度障礙物的情況下能夠順利越礙。
電機、電池組、支撐輪等零件都以前后翼板為固定支架，前后翼板的剛度直接影響著這些零部件工作狀態(tài)，若前后翼板剛性較差，在受到外界沖擊力的作用下易產生變形，那么將會直接導致電機安裝位置產生錯位，電機驅動齒輪與后同步帶輪中的傳動齒輪不能正常嚙合甚至卡死，或者導致安裝在后翼板上的承重輪不能正常支撐同步帶，失去承載機器人負荷的作用。
為了實現(xiàn)翼板能夠繞軸線中心轉動，需要使用電機提供扭矩，履帶驅動裝置需要的扭矩越大，相同型號的電機的尺寸也越大，從經濟性的考慮，應盡量減輕整個履帶驅動裝置的重量，所以在材料選擇方面，翼板的材料應滿足質量輕，高強度，高硬度，易加工的優(yōu)點，綜合選擇，鎂合金能夠滿足一般的性能要求，所以翼板的材料選擇鎂合金。
6機器人擺臂的設計
搖臂的作用是是機器人在越障時起輔助作用，使機器人受力情況改變，更加靈活的適應崎嶇的環(huán)境。
主要作用為以下兩點：
1．支撐搖臂的前輪，使之能夠自由滾動。
2．360度轉動時，能夠支撐起車體。
為了使與搖臂相連的輪能夠自由轉動，設計成輸出軸上套軸承，軸承支撐車輪的形式。
為了使搖臂轉動時能夠支撐起車體，車體前方的輸出軸是由搖臂電機經減速器輸出的。輸出軸通過花鍵與搖臂翼板固定連接。采用花鍵的原因是安裝方便。
搖臂主體實際上是一塊鋼板，形狀與搖臂兩個輪的形狀相一致，尺寸略小于輪。前導輪安裝在一個短軸上，而短軸也是通過花鍵嵌到翼板上的。為了使花鍵與翼板不發(fā)生相對錯動，故當翼板安裝到位后，用螺栓將翼板與花鍵軸連接起來。為了增加翼板的強度剛度，在翼板外側連接一個條形擋板。在翼板前端短軸末端用螺栓連接一個擋板，用來卡住軸承。
為了使之運動平穩(wěn)，翼板相連的大輪直徑應該與前車輪直徑相同而為了減小整機的尺寸，故該輪的寬度要比前輪寬度窄一些。這里定輪寬為60， 所以小輪的寬度也為60。車前輪與搖臂大輪之間的間隙為5，輪是靠軸承支撐的，軸承套在減速器輸出軸上。這兩個輪子的位置是通過軸承內外圈限定的，故選擇的軸承需要承擔較大的軸向力，所以選擇圓錐滾子軸承。由輸出軸直徑為30，查表得選擇的軸承型號是：32006。
翼板上各零件尺寸如下：
翼板寬度為10
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